核電廠維修規則性能指標建立方法的研究

李志龍

摘 要

根據美國NEI發布的NUMARC 93-01《監測核電廠維修有效性的工業導則》和國核安發【2017】173號《改進核電廠維修有效性的技術政策（試行）》的指導意見和核電廠維修規則開發的實踐，性能指標的建立一般有兩種思路：一種是基于系統功能出發，找到實現每一項MR功能的設備組合，再根據風險重要度的不同，建立相應的性能指標。一種是基于系統結構出發，把冗余設備、（不同功能或工況都用到的）共同設備劃分出來，結合相關功能，再根據風險重要度的不同，建立相應的性能指標。本文結合電廠實際案例，分析和研究這兩種方法各自存在的優勢和不足，并指出性能指標建立方法的優化思路。

關鍵詞

維修規則;性能指標;系統功能;系統結構;

中圖分類號： G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.17.87

1 概述

1.1 維修規則簡介

維修是核電廠重要的安全相關活動，在核電廠運行過程中，必須保證維修活動的可靠性和有效性，使核電廠構筑物、系統和設備在各種運行工況、設計基準事故工況、以及選定的超設計基準事故工況下，能夠有效地執行預定的安全功能，保證核電廠運行安全。

傳統上核電廠均采取定期的預防性和糾正性維修方法，但廣泛的國際運行經驗表明，維修不足、過度維修以及維修不當均會對核電廠構筑物、系統和設備產生不利影響，從而影響核電廠的運行安全水平。近年來的國際經驗表明，核電廠采用基于構筑物、系統和設備有效性和維修風險管理的維修規則，能夠更加合理、有效的提高維修的有效性。

2017年，國家核安全局發布了《改進核電廠維修有效性的技術政策（試行）》，規定核電廠基于有效的維修規則實施的基本原則。為落實政策要求，核電廠需要建立一套完整的能夠用于監測和改進核電廠維修有效性的流程體系，以形成基于維修有效性評估的監督方法（以下簡稱MR）。

1.2 性能指標設定的一般原則

性能指標是評價構筑物、系統和設備（以下簡稱SSC）性能是否滿足要求的標準，是判斷針對所開展的維修活動是否有效的準則。對于所有風險重要的功能及雖然屬于非風險重要但處于備用模式的功能，應該建立具體的性能指標;而對于其它非風險重要的功能，一般可通過電廠層級的性能指標來監測。

針對某項功能設定的具體的性能指標一般用可靠性、可用率或設備的狀態參數表示。

●可靠性：一段時間內的失效次數

●可用率：一段時間內的可用或不可用小時數

●設備狀態參數：如壁厚、泄漏率、壓力、振動等參數

電廠層級的性能指標適用于MR范圍內的所有SSC。包括：7000臨界小時非計劃停堆數，非計劃能力損失因子，安全系統非計劃啟動數等。

2 性能指標建立方法

2.1 基于系統功能

性能指標的最終建立通常是以PSA分析中假設的可靠性和可用率為依據，采用數學方法（泊松分布、二項分布）并可信度要求來確定的。但無論是可靠性還是可用率性能指標的建立，都離不開對電廠系統的先導分析。

從性能指標設定的一般原則出發，對于一個系統，性能指標建立最常見的做法是，首先識別出該系統有哪些MR功能，再對每一項MR功能進行風險重要度判斷，就可以知道在什么監督層級建立什么樣的性能指標。

下面以某核電廠安全殼噴淋系統為例，來分析采用基于系統功能的方法是如何在實際的電廠系統中建立性能指標的。

根據系統功能分析的結果，安全殼噴淋系統有兩項MR功能：

1）在發生失水事故時，噴淋系統通過向安全殼內噴淋冷卻水，排出安全殼內熱量，降低安全殼內的壓力與溫度，防止安全殼超壓破壞。該功能包含了注射噴淋階段和再循環噴淋階段功能（以下簡稱降溫降壓功能）。

2）在發生失水事故時，通過向噴淋液中添加定量的氫氧化鈉，降低彌漫于安全殼大氣內的放射性裂變產物濃度（以下簡稱降低放射性濃度功能）。

經過相應PSA模型的風險重要度判定，這兩項MR功能重要度都為高。因此，我們需要建立具體的性能指標（可靠性和可用率）。

對于降溫降壓這一項MR功能，其包含了注射噴淋階段和再循環噴淋階段。注射噴淋階段從換料水箱吸水，通過噴淋泵走熱交換器旁通閥注入安全殼內;再循環噴淋階段從再循環地坑吸水，通過噴淋泵走停冷熱交換器注入安全殼內。雖然兩個階段都是實現降溫降壓的功能，但兩者需要的設備并不完全相同，就算是共同都要用到的設備，其對應的影響兩個噴淋階段的設備失效模式也不一樣。為了能讓性能指標更好的回應這兩個不同的噴淋功能階段，我們應該對注射噴淋階段和再循環噴淋階段都要建立性能指標。

因此，接下來我們要找到實現兩個不同的噴淋功能階段的設備（噴淋階段和再循環階段都有完整的兩個系列），通過泊松分布等數學方法，就可以在列上建立各自的性能指標。

對于降低放射性濃度這一項MR功能，當噴淋信號和高劑量信號都符合時，儲存箱內的NaOH溶液通過任意一路NaOH添加閥組和噴射器注入噴淋泵入口。

實現降低放射性濃度這一項MR功能的設備是比較清晰明確的，就是路徑上的冗余NaOH添加閥門組在進行泊松分布的數學方法計算時會存在困難。如果把這六個閥門當串聯處理，全部羅列相加計算，則放大了該功能的失效概率且不符合實際意義（兩路NaOH添加閥組任意一路有效就能滿足要求，而不是任意一路的某個閥門失效，該MR功能就沒法實現）;如果把這六個閥門當并聯處理，兩路設備的失效概率相乘計算，則結果基本趨于0（意味著兩路閥門同時失效才計入性能指標，這種概率接近于0。而對于單個閥門失效的大概率情況卻不計入性能指標）

2.2 基于系統結構

另一種建立性能指標的方法是基于系統結構。

在識別出一個系統所有的MR功能后，分別找出實現各個MR功能的設備，但并不完全按MR功能歸類設備。若不同的MR功能或一個MR功能不同的階段都使用到一部分共同設備，或是一個MR功能上存在冗余設備組，則進行一定程度的設備分類重組。最終每一項MR功能由幾個設備功能組組成，設備功能組之間盡量不重復羅列相同設備，尤其是不重復羅列對性能指標貢獻度較高的重要設備。接著對每一個設備功能組進行風險重要度判定。就能確定在什么監督層級建立什么性能指標。通過采用相應的數學方法和PSA失效模型數據并可信度計算，就可以確定每一個設備功能組具體的性能指標值。

下面仍以某電廠安全殼噴淋系統為例，來分析采用基于系統結構的方法是如何對其建立性能指標的。

對于降溫降壓這一項MR功能，先識別出實現該功能的所有設備（無論是噴淋階段還是再循環噴淋階段），由于兩個噴淋功能階段存在共同使用的設備—噴淋泵、噴淋泵設冷水/冷卻風機、泵出口逆止閥/隔離閥、噴淋A/B列隔離閥、噴嘴等，這些共同設備在影響兩個噴淋階段功能失效的故障模式基本是一樣的，而且噴淋泵設備的失效概率是性能指標建立的最大貢獻因子。為此，把實現降溫降壓這一項MR功能的所有設備分為三個設備功能組：

1）噴淋水箱設備組。由噴淋水箱組成;

2）噴淋階段設備組。主要由噴淋泵入口隔離閥、噴淋泵、噴淋泵設冷水/冷卻風機、噴淋泵出口逆止閥/隔離閥、熱交換器旁通閥、噴淋A/B列隔離閥、噴嘴等組成;

3）噴淋再循環設備組。主要由再循環地坑及其隔離閥、噴淋泵入口的兩個隔離閥、噴淋熱交換器進出口閥和旁通閥等組成。和噴淋階段設備組的區別是共同使用到的設備不再重復，但故障模式不一樣的共同設備則仍然包括。

通過對設備分組，噴淋泵作為對性能指標貢獻度最高的設備只包含在一個設備功能組里。這樣處理的好處是：若噴淋泵發生功能故障時，基于系統功能思路，會觸發兩起性能指標事件，而基于系統結構思路，只會觸發一起性能指標事件。

對于降低放射性濃度這一項MR功能，同樣也是先識別出實現該功能的所有設備，關鍵在于對路徑上的冗余NaOH添加閥門組如何處理。從基于系統結構的思路出發，我們也可以把實現降低放射性濃度這一項MR功能的設備分為三個設備功能組：

1）NaOH儲存箱設備組。包括儲存箱、安全閥、氮氣入口閥等;

2）NaOH添加閥門設備組。由冗余的兩路添加閥門設備組成;

3）NaOH添加噴射器設備組。由NaOH添加止回閥、噴射器、噴射器入口節流閥組成。

同樣通過對設備分組，也可以解決基于系統功能思路建立的性能指標無法有效監測冗余NaOH添加閥門設備維修有效性的困難。因為性能指標是建立在設備功能組上，而不是建立在MR功能上。當NaOH添加閥門設備組某一路上的單個閥門故障時，若此時功能失效次數大于可靠性指標，就會有可能進入（a）（1）加強監測，而不會受困于降低放射性濃度這一項MR功能還沒有失去，無法觸發進入（a）（1）的條件。

3 存在的問題及優化思路

3.1 性能指標建立方法存在的問題

通過2.0節兩種性能指標建立方法的闡述，我們可以分析出兩種思路各自的優勢和不足。

●基于系統功能建立性能指標的優勢

思路清晰、方法明確。因為完全是基于系統功能，只要識別出來所有MR功能后，實現MR功能的設備基本就隨之識別出來了。任何掌握此種方法的工程師都能比較好的建立性能指標，且人與人之間開發的差別不會很大。

對系統健康評價更好。性能指標建立在系統功能上，當實際性能超過可靠性或可用性指標時，可以直接反映出系統運行的健康狀況。

●基于系統功能建立性能指標存在的問題

對共同設備或冗余設備建立性能指標會出現困難。系統的MR功能和設備不會完全一一對應，共同設備或冗余設備是現實存在的。單純用基于系統功能的思路很難解決對共同設備或冗余設備建立性能指標的問題。以安全殼噴淋系統為例就可以看出，性能指標有可能過嚴或監測不到冗余列重要設備的維修有效性，更復雜的系統這個問題會更明顯。

●基于系統結構建立性能指標的優勢

可以比較好的解決共同設備或冗余設備建立性能指標的問題。只要能對每一項MR功能清晰地劃分出設備功能組，性能指標就可以起到應有的作用。

對設備監測更好。性能指標建立在設備組上，當實際性能超過可靠性或可用性指標時，直接反映的是設備組的性能情況，并不直接反映整個系統的運行情況，有可能此時系統性能只是存在劣化或降級，但并沒有完全失去執行相關MR功能的能力。

●基于系統結構建立性能指標存在的問題

設備功能組的劃分方法存在難點。怎么劃分設備組，哪些設備能合在一起，哪些設備又不適合分在一起，不同的工程師對系統理解的不同，建立的性能指標也會不一樣。

設備功能組劃分過多會存在弊端。例如多個設備組都有指標事件，但整個系統有可能一直都不會有哪個設備組超標而進入（a）（1）。

3.2 性能指標建立方法的優化思路

無論是美國NEI發布的技術導則還是國家核安全局發布的技術政策，都只有性能指標設定的一般原則，并沒有指出具體的設定方法。

●基于系統功能建立性能指標的優化思路

識別系統MR功能時更加細化。MR功能識別的越細，共同設備就會相應減少。

冗余設備理解為系統需要的設計功能。對冗余設備組在進行泊松分布計算時作串聯處理。含義是當某一路某個設備故障失效時，就違反了系統設計上的要求。（系統設計上就是要求有冗余列的存在）

冗余設備組單獨設定指標。對重要的冗余設備利用二項分布的方法，單獨設定可靠性指標。

●基于系統結構建立性能指標的優化思路

設備分組時把握通用原則，如：

1）重要度高的公用設備盡量單獨一組;

2）冗余設備組可以單獨成組;

3）故障率較高，對性能指標貢獻度較大的設備盡量不在多個設備組重復;

4）固有可靠、失效率很低、維修策略不多或對性能指標貢獻度不大的設備，如需可在在多個設備組重復。

設備分組不宜過多。不能為了分組而分組，否則一方面會使性能指標過于寬松，一方面PSA模型精度要求過高。

4 結論

維修規則的核心理念是通過監督核安全相關的重要SSC維修活動有效性，來確保核安全。

基于系統功能還是基于系統結構建立起來的性能指標，會直接影響到后續MR監督流程中到底是系統還是設備功能組進入（a）（1）狀態。

在遵循性能指標設定的一般原則前提下，選擇哪一種方法建立性能指標，要清楚各自的特點以及關注的重點是什么。對于核安全監管當局而言，關注的重點是MR系統維修活動的有效性，而對于核電廠層面而言，還希望性能指標能反映MR系統的實際性能。我們在實際建立性能指標值時，要兼顧兩種方法的平衡，確保維修規則性能指標能發揮應有的作用。

參考文獻

[1]美國NEI，《Industry Guideline for Monitoring the Effectiveness of Maintenance at Nuclear Power Plants》，NUMARC 93-01，2011 Rev 4A.

[2]國家核安全局，《改進核電廠維修有效性的技術政策（試行）》，國核安發【2017】173號.

[3]秦山核電，《維修規則開發和實施導則（試行）》，QS-5EQ-TGEQ-0013/Rev.0.